可见与红外双波段宽带增透膜的研制

根据军用光学仪器的使用要求,在多光谱ZnS基底上镀制增透膜,要求薄膜在可见与近红外波段400～1000 nm及远红外波段7～11 μm的平均透射率均大于90%.采用电子束真空镀膜的方法并加以离子辅助沉积系统,通过选择ZnS和YbF3作为高低折射率材料,利用最新OptilLayer软件三大模块的功能辅助,调整镀膜工艺参数,改进监控方法,减少膜厚控制误差,在多光谱ZnS基底上成功镀制符合使用要求的增透膜.所镀膜层在可见与近红外波段400～1000 nm的平均透射率大于91%,远红外波段7～11μm的平均透射率大于90%,能够承受恶劣的环境测试,完全满足军用光学仪器的使用要求.     

0.6～1.55μm可见/近红外超宽带增透膜的研制

针对可见/近红外宽谱段光谱仪探测器窗口的使用要求,选择TiO2、M1和SiO2分别作为高、中、低折射率镀膜材料,通过不同方案对膜系进行了优化设计和比较。采用电子束蒸发兼离子束辅助沉积技术,通过不断调整工艺参数,得到了光学性能优良、制备重复性好、牢固度强且致密的可见近红外宽带增透膜。该增透膜在（650±10）nm、900～1 100 nm和（1470±10）nm三波段内平均透过率≥99%,在620～1 550 nm宽波段内整体平均透射率≥97%,满足了光谱仪探测器窗口的实际使用要求。     

三维腹腔镜端面宽带增透膜的研制

根据由多组镜片组成的三维腹腔镜对高透过率和不失真成像的要求,研究并选择了合适的薄膜材料;采用电子束真空镀膜加以离子辅助沉积系统,利用膜系设计软件完成了宽带增透膜的非周期膜系设计。通过调整镀膜工艺参数并采用光控与晶控同时监控的方法,减少了膜厚控制误差,成功地在多组镜片上镀制了宽带增透膜。测试试验显示,制备的膜层在400～700 nm波段的平均反射率〈0.5%,而且颜色不失真,膜层牢固,抗腐蚀效果较好,满足医用光学仪器的使用要求。     

高阻紫外光阴极导电基底制备及性能

在MgF_2基片上,采用电子束蒸发镀膜法制备了掺锡氧化铟(ITO)导电基底,研究了充氧及退火对ITO薄膜电阻及紫外透射比的影响。并与传统的金属导电基底Au和Cr进行了性能比较。用光学显微镜、四探针测试仪、高阻计、X射线衍射仪(XRD)和分光光度计分别测试了薄膜的表面形貌、方块电阻、形态结构和190～800 nm波段范围内薄膜的透射比曲线,得到方块电阻为10~7Ω左右时薄膜在200～400 nm波段内透射比的变化范围。实验结果表明,厚度相同时,充氧会增大ITO薄膜电阻;退火则会降低薄膜电阻并提高紫外透射比,薄膜结构由非晶态变为多晶态。方块电阻同为10~7Ω时,在200～400 nm波段充氧退火后ITO薄膜的平均透射比比Au,Cr的高10%。     

粮食筛选系统中双通道带通滤光膜的研制

利用杂质和劣质粮食与优质粮食的近红外吸收光谱不同的特性,根据光谱中反映测试成分的特征波段的差异对粮食进行光学分选.在光谱进入传感器之前经过滤光片对多个测试波段进行过滤,降低噪音的影响.本文针对光学筛选系统中核心部件双通道带通滤光片进行研制,从膜系设计理论出发,采用了Smith法结合膜系设计软件设计了以周期膜系和非周期膜系相结合的双通道带通滤光膜系,利用电子束蒸发和离子辅助沉积的方法进行制备并通过数学建模分析,减小了实验误差对光谱的影响.在1 200nm和1 450nm波段得到平均透射率大于97%,1 000~1 130nm和1 570~2 000nm波段平均透射率小于1%的滤光膜,通过系统测试,满足使用要求.     

1555nm宽带通滤光膜的设计和优化

针对对空间通信的特殊需求,设计并制备了1 555 nm波段的高透过率、宽带通滤光膜,该滤光膜在高温高湿环境下能够稳定工作。根据薄膜设计理论,选取折射率差大的TiO2和SiO2作为镀膜材料,采用规整膜系进行膜系设计。借助Optilayer软件,采用针形优化和双面镀膜方法,得到优化的非规整膜系。采用直接与间接监控相结合的手段监控薄膜生长,并探讨了薄膜的生长条件。在电子束蒸发离子辅助沉积条件下,制备出中心波长处透过率达到97%,带宽为50 nm的滤光膜。在100℃高温和-30℃低温各保持3 h的条件下,波长漂移仅0.2 nm,具有高的稳定性和可靠性,满足空间通信的使用要求。     

探测用宽截止红外双通道帯通滤光片的设计及误差分析

为满足探测1,2丙二醇二硝酸脂有毒气体浓度的红外探测元件抑制带截止深度深、通带内平均透射比高、波纹系数小等要求,采用等效折射率理论与局部优化相结合的设计方法,选用PbTe/ZnSe作为高低折射材料,采用长波通膜系、短波通膜系以及双半波膜系设计了截止深度深、双通道、通带宽度合适的红外滤光片,通带分别为5.9～6.2μm及11.9～12.2μm,通带内平均透射比分别在90%及65%以上;对所设计的膜系进行了薄膜物理厚度和膜层折射率的误差分析。分析表明,薄膜制备时沉积速率精度应控制在3.5%以内,材料折射率的变化应控制在3%以内,与膜层折射率相比,薄膜物理厚度对平均透射比的影响小,并且双半波膜系对厚度以及折射率变化更敏感。     

近红外宽截止窄带滤光膜的研制

在空间光通信系统中,为满足光学系统对滤光膜的特殊要求,研制出了一种近红外宽截止窄带滤光膜,实现了降低深背景范围内杂散光干扰的要求.通过对薄膜材料特性的研究、膜系设计曲线的不断优化,得到了相对易于制备的窄带滤光膜结构;采用电子束加热蒸发及离子辅助沉积技术制备薄膜,采用光控加晶控同时监控的方法监控膜层厚度,通过不断优化工艺参量,提高中心波长处的透过率,最终成功得到了光谱性能较好的滤光膜.经光谱测试表明:所镀膜层在800~1 530nm、1 600~1 800nm波段平均透过率低于0.3%,1 565nm单点透过率高于92%,通带半带宽为18nm,满足光学系统的使用要求.     

二阶关联成像系统宽光谱吸收膜研制

为满足关联成像系统抑制背景的需求,选用Al、Cr和SiO_2作为镀膜材料,依据薄膜吸收理论,结合膜系设计软件设计了宽光谱吸收膜,并采用真空沉积技术获得了该薄膜样品.通过真空阶梯式退火,减小了膜层内应力,解决了薄膜牢固度问题;采用交互式分析对测试结果逆向反演,通过优化工艺参量,使膜系中敏感薄层厚度得以精准控制,并减小了膜厚控制误差.制备的吸收膜在400~1 100nm波段平均吸收率达到99.1%,满足系统使用要求.     

双波段宽带减反膜的研究

根据电视/红外双色制导的要求,研制了锗酸盐基底上的双波段宽带减反膜。其膜系设计采用二氧化钛和二氧化硅分别作为高、低折射率膜料的13层膜堆,镀制的膜层满足环境稳定性标准。在0.56~0.75μm波长范围内,双面镀膜后的平均透过率大于98%,单面平均剩余反射率不超过0.5%;在3.6~4.8μm波长范围内,双面镀膜后的平均透过率至少可达到85%,单面平均剩余反射率不超过1.5%。     

红外双波段激光滤光膜的研制

为了满足红外军用仪器的特殊要求,根据薄膜理论进行了红外双波段滤光膜的膜系设计;采用电子束真空镀膜的方法,通过对工艺参数的调整,在多光谱ZnS基底上镀制了1 064 nm高反、3～5μm高透的红外双波段滤光膜。利用低能离子轰击,使膜层与基底间的应力明显减小;使用BGS 6341薄膜应力测试仪,采用渐变梯度法,测得其压应力由122 MPa降到51 MPa。另外,通过低能离子轰击和真空退火处理,提高了膜层的抗损伤阈值。结果显示所镀膜层满足红外军用仪器的使用要求。     

特宽光谱分光膜的镀制

设计了550～1100nm波段高透、8000～12000nm波段高反的特宽光谱分光膜膜系，即采用｜ZnS｜Ag｜ZnS｜基本膜系结构，外加保护膜，并用该膜系镀制出了透可见、近红外波段，反中远红外波段的平面分光镜。实际使用表明，该膜系效果较好。     

离子束辅助沉积(IAD)镀制抗电磁干扰与减反射复合薄膜

在K9玻璃基底上将两种物理性能完全不同的薄膜形成组合膜系层,实现了抗电磁干扰、高透光的效果。技术指标为:在400nm-1100nm宽波段范围平均透光率不低于90%;为达到良好的抗电磁干扰屏蔽效果,抗电磁屏蔽其方块电阻值为4±0.5Ω/口。为满足设计技术指标要求,计算设计了抗电磁干扰与减反射复合膜系结构,进行了镀膜工艺实验。实验结果表明,通过采用离子束辅助沉积工艺技术,可改善光学薄膜的微观结构,进而提高了复合薄膜的光学、物理性能和膜层的稳定性。     

离子束辅助沉积(IAD)镀制抗电磁干扰与减反射复合薄膜

在K9玻璃基底上将两种物理性能完全不同的薄膜形成组合膜系层,实现了抗电磁干扰、高透光的效果。技术指标为:在400nm-1100nm宽波段范围平均透光率不低于90%;为达到良好的抗电磁干扰屏蔽效果,抗电磁屏蔽其方块电阻值为4±0.5Ω/口。为满足设计技术指标要求,计算设计了抗电磁干扰与减反射复合膜系结构,进行了镀膜工艺实验。实验结果表明,通过采用离子束辅助沉积工艺技术,可改善光学薄膜的微观结构,进而提高了复合薄膜的光学、物理性能和膜层的稳定性。     

PECVD技术制备多波段渐变减反膜

介绍了利用傅里叶变化法设计多波段渐变减反膜的原理和方法,研究了采用该方法设计多波段减反膜时Q函数的优选流程,给出了最优Q函数。设计优化得到了在350~5000nm波段范围平均透过率大于90%的多层渐变减反膜系结构,并采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术完成了样片的制备。实验结果表明,镀制的样片在350~5000nm波段范围的平均透过率为90.55%,满足光谱特性的要求。     

人眼安全激光测距与红外成像滤光膜的研制

从人眼安全的角度,设计并制备了对1 064 nm激光抑制并可用于1 550 nm激光测距以及3 m～5 m波段红外成像的滤光膜。选用ZnS、YbF3作为膜料组合、多光谱ZnS作为基底,利用薄膜设计软件对薄膜进行了优化设计。膜系设计通过合理的厚度控制和膜层安排,来增强薄膜的机械强度。滤光膜的制备采用了电子束沉积技术,通过离子辅助沉积和真空退火处理技术,进一步提高滤光膜的牢固性。光谱测试表明:在1 064 nm处的透射率仅为0.5%,1 550 nm处的透过率为99.3%,3 m～5 m波段的平均透过率大于96%,经分析YbF3的折射率在薄膜沉积过程中有所提高,但是对光谱曲线影响不大;可靠性测试表明:滤光膜能够耐受恶劣的环境考验,满足使用要求。     

50～11O nm波段高反射率多层膜的设计与制备

阐述了50～110 nm强吸收波段亚四分之一波长多层膜的设计方法.这种膜系是由强吸收材料叠加而成,每层膜光学厚度小于四分之一个波长.与常规周期多层膜相比,这种膜系更适用于提高强吸收波段的反射率.利用该方法设计了50 nm处高反射多层膜,并以此为初始条件通过Levenberg-Marquart优化方法完成了50～110 nm强吸收波段宽带高反射率Si/W/Co多层膜的设计,其平均反射率达到45%.采用直流磁控溅射方法制备了Si/W/Co多层膜,用X射线衍射仪(XRD)对膜层结构进行了测试,测试结果表明制作出的多层膜结构与设计结构基本相符.     

膜系优化设计中的模糊输入及评价函数的改进

为建立更为合理科学的目标光谱函数,从而改进膜系的自动设计,在进行理想光谱曲线输入时,对光谱反射比或透射比要求不严格的波段不进行精确输入,只输入一个区间范围;要求严格匹配的波段,按点输入准确值。同时,评价函数的构造根据波段要求的严格与否做不同的变形。采用改进以后的方法设计的膜系与原来的膜系相比,层次减少,而且设计时间缩短。采用模糊输入法,对评价函数的构造做相应的变形,可以改进膜系的自动设计。     

红外探测装置中光谱分光镜的设计与制备

在红外探测装置中,光谱分光镜是用来把3 μm～5 μm和8 μm～12 μm 2个波段的光谱分开的零件.介绍了一种在通用镀膜机上制备光谱分光镜的新工艺.在该膜系的设计过程中,把Willey公式引入到对其平均透过率最高值进行估算的过程中,同时针对国产镀膜机控制精度不高的特点,尽量使用规整膜层进行设计.为了进一步提高8 μm～12 μm波段的透过率,在膜系的最外侧引进了一层自行配制的低折射率氟化物材料,制备出了符合技术指标的红外光谱分光镜.     

锗窗口红外宽光谱增透膜的研制

红外宽光谱增透膜作为红外光学系统中的关键元件,其研究是一项比较复杂而备受重视的工作。针对风云二号辐射计锗窗口的宽光谱增透膜的要求,通过对镀膜材料在既定工艺条件下的光学参数的准确拟合,采用非对称等效层理论,并将材料光学参数拟合值代入到膜系的优化过程中,从而得到能够与实际情况接近的理论设计膜系。经过工艺优化后,研制出的宽光谱增透膜在要求的3.5～4.0μm,6.3～7.6μm,10.3～11.3μm三个通道的平均透射率均大于96%,而11.5～12.5μm通道的平均透射率大于94%。膜层能够经受住浸泡、高温高湿等一系列环模试验的检验,完全满足项目的使用要求。